天然气液化原理

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1、生产原理一、天然气1、性质天然气是一种易燃易爆气体，和空气混合后，温度只要达到550C就燃烧。在空气中， 天然气的浓度只要达到 515%就会爆炸。天然气无色，比空气轻,不溶于水。一立方米气田 天然气的重量只有同体积空气的55%左右。天然气的热值较高， 35.6-41.9兆焦/立方米(约合 850010000 千卡/立方米)。天然气的主要成分是甲烷，甲烷本身是无毒的,但空气中的甲烷含量达到10以上时, 人就会因氧气不足而呼吸困难,眩晕虚弱而失去知觉、昏迷甚至死亡。天然气中如含有一定量的硫化氢时，也具有毒性.硫化氢是一种具有强烈臭鸡蛋味的无 色气味，当空气中的硫化氢浓度达到0。31毫克/升时，人的

2、眼、口、鼻就会受到强烈的刺 激而造成流泪、怕光、头痛、呕吐；当空气中的硫化氢含量达到1.54毫克/升时，人就会死 亡。因此，国家规定：对供应城市民用的天然气，每立方米中硫化氢含量要控制在20毫克 以下天然气的主要成分是甲烷(CH4)，气标准沸点为111K (-162C)，临界温 度为190K (-83C) 标准沸点时液态密度426Kg/m3,标准状态时气态甲烷密度 0.717Kg/m3,两者相差约600倍。2、生产目的1。1 合成生产出的甲烷气，采用林德工艺进行深冷液化制成液态天然气(LNG)。1。2 LNG能量密度大，便于储存和运输。1.3 LNG密度小、储存压力低，更加安全。1.4 LNG

3、组分纯净、燃烧完全、排放清洁.1。5 LNG机动灵活，不受燃气管网制约。3、生产任务液化天然气 50000 Nm3/h，400000000 Nm3/年。二、生产原理液化天然气是指天然气原料经过预处理，脱除其中的杂质后，再通过低温冷 冻工艺在一162C下所形成的低温液体混合物，常见的LNG是Liquefied Natural Gas的缩写。目前，世界上 80以上的天然气液化装置采用混合制冷剂液化循环，该循 环以C1-C5的碳氢化合物及氮气等组成的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级冷 凝、蒸发、节流、膨胀,得到不同温度水平的制冷量，以达到冷却和液化天然气 的目的.1、原料预处理 天然气作为液化装置的

4、原料气，首先必须对其进行预处理.天然气预处理主 要是脱除其中的有害杂质及深冷过程中可能结晶的物质 ，也就是天然气中的 H2S、C02、水分、重烃和汞等杂质。天然气预处理主要目的有：避免低温下水 与烃类组分冻结而堵塞设备和管道；提高天然气的热值，满足气体质量标准； 保证天然气在深冷条件下液化装置能正常运行；避免腐蚀性杂质腐蚀管道及 设备.汞的存在会严重腐蚀铝制设备，当汞（包括单质汞、汞离子及有机汞化合物） 存在时，铝会与水反应生成白色粉末状的腐蚀产物，严熏破坏铝的性质。极微量 的汞含量足以给铝制设备带来严重的破坏，所以汞的含量应受到严格的控制。1。1酸性气体脱除天然气除通常含有水蒸气外，往往还含

5、有一些酸性气体。这些酸性气体一般 是H2S、C02、COS与RSH等气相杂质。H2S、C02和COS,通常称为酸性气。气体 低温液化要求H2S的含量低于4ppm，CO2的含量低于50ppm。本项目正常情况下，粗原料气中硫和CO2已在低温甲醇洗单元脱除，仅在合 成天然气副反应生成0.6188% （mol ）的C02。此部分C02如不提前清除，进入天 然气液化装置低温区，易成为固相析出，堵塞管道及换热器。由于进气中的 CO2 分压较低，选择MEA胺（乙醇胺）溶剂来脱除进气中的CO2。1。2脱水1.2。 1合成天然气中，一般都含有水蒸气（简称水气），水气是天然气中有害无 益的组分.原因如下：（1）然

6、气中水气的存在，减小了输气能力，降低了天然气的热值;（2）在液化装置中，水在低于零度时，将以冰或霜的形式冻结在换热器的表 面和节流阀的工作部分；（3）天然气和水会形成天然气水合物，天然气水合物是由天然气（主要是甲 烷）和水分子在低温与高压下形成的类冰状的白色固体物质，也称为甲烷水合物。 由于天然气水合物含大量的甲烷气体而具有极强的燃烧力,可直接燃烧，因此又 俗称为“可燃冰,其密度为0。880。90g/cm3。它是半稳定的固态化合物， 可以在零度以上形成,这些物质的存在会增加输气压降,减小油气管线通过能力， 严重时还会堵塞阀门和管线，影响平稳供气。水合物形成温度的影响因素主要有以下方面：混合物中

7、重烃，特别是异丁 烷的含量;混合物的组分即使密度相同而组分不同，气体混合物形成水合物 的温度也大不相同；压力愈高，生成水合物的起始温度也愈高；在输送含有 酸性组分的天然气时，液态水的存在还会加速酸性组分（H2S, CO2等）对管壁、 阀门件的腐蚀，减少管线的使用寿命。因此在一般情况下，天然气必须进行脱水 处理，达到规定的含水气置指标后，才允许进入输送管线。1。2。2脱水方法为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常需在高于水合物形成温 度时，就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到-1OOC以下。可用于天然气工 业的脱水方法有多种，需根据具体情况，对各种可能采用的方法进行技术和经济 指标的对

8、比，选出最佳的天然气脱水工艺.目前可用于天然气的脱水方法有冷却法、溶剂吸收法、固体吸附法、化学反 应法，以及近年发展起来的膜分离法。由于冷却法脱水受条件因素影响较大，通 常不能满足LNG露点要求，一般不在LNG项目中单独使用.分子筛气体脱水是干燥LNG原料气的唯一工艺，因为它可以将水的含量降低 到小于lppm,这正是气体低温液化所要求的。本项目脱水采用双床层分子筛吸 附。干燥站是一个双床层分子筛吸附站，循环周期为 12 个小时。脱硫气体向下 流经其中一个进气干燥器。酸性气体中包含的水被降低至接近于零，因而下游的 液化装置不会出现冻结。分子筛同其他吸附剂相比，具有以下优点：（1）分子筛吸附选择性

9、强，它能按照物质分子大小进行选择吸附，一般只 吸附临界直径比分子筛孔径小的分子.另外，它对极性分子也具有较高的选择吸 附性。经过分子筛干燥后的气体，一般饱和含水量可达到0. 11。 Omg/kg。（2）脱水用分子筛不吸附甲烷,从而避免了因吸附甲烷而使有效气损耗。（3）分子筛具有高效的吸附性能，当其在天然气相对湿度或饱和水分压很低 时，仍保持相当高的吸附容量，特别适用于深度干燥。这是因为分子筛的空腔多、 孔道小，其比表面积比其他吸附剂大，一般为700900m2/g。（4）分子筛的性能受液态水的影响较小。2 天然气液化过程2。1天然气液化过程设备组合：膨胀机（或节流阀）压缩机-热交换器2.1。1

10、冷剂压缩机为后续流程中各节流阀（膨胀机）降压、降温作准备：2.1.2 膨胀机或节流阀它使经压缩机压缩后的高压冷剂降压后产生温降，从而为在换热器中向天 然气和其它冷剂提供冷量2。1.3 热交换器实现低压制冷剂冷量向天然气和高压制冷剂传递,天然气吸收冷量后降温, 往液化并液化率目标靠近。2。2 天然气液化过程2。2.1 天然气脱酸性气体-常见酸性气体为 HS、CO 、COS22在 LNG 装置中易成为固相析出,堵管CO、N 不燃烧，无热值，运输和液化不经济22化学吸收法 MEA作吸收剂，与天然气中的酸性气形成化合物，进入解吸塔，温度 升高,压力降低时，化合物分解放出酸性气。 优点:脱除率高，净化后

11、的天然气中酸性气V50ppm成本低，良好的稳定性、易再生。2。2.2 汞的脱除 汞：汞的存在会严重腐蚀铝质设备用脱汞：硫浸煤基活性碳HGR质量：汞含量可达V0.001口g/m32.2.3 重烃脱除 气体的露点受重组分影响最大； C 重烃不溶于 LNG6 冷凝分离2。2。4 氮气脱除常压下氮气的液化温度一196C,比甲烷液化温度T61C低许多了 天然气中氮含量越多,液化天然气越困难,动力消耗增加;最终用闪蒸的方法从LNG中选择性脱除氮。2。2.5 天然气脱水 天然气含水对液化的影响低于0C将以冰或霜的形式冻结在换热器表面和节流阀的工作部分 天然气和水会形成水合物，半稳定的固态化合物，可在0C以上

12、形成，造 成管线、喷咀和分离设施堵塞压力越高，生在水合物的起始温度也越高 为避免天然气中水的存在造成堵塞，须在高于水合物形成温度时将天然气中 游离水脱除,使其露点达到一100C以下。 分子筛物理吸附人工合成沸石硅铝酸盐 -对吸咐分子有很强选择性4A分子筛是优良的水吸附剂，也可吸收CO、HS等杂质，不吸附重烃。222.2。6 天然气液化 通过压缩使气体温度升高通过换热取走气体的热量，然后气体通过膨胀机或 节流阀降压，由于焦尔汤姆逊效应，是气体温度降低，此低温气体和降压前气 体换热，这样可以是降压后气体达到液化温度.天然气的液化过程实质上就是通过换热不断取走天然气热量的过程。3、天然气液化原理3.

13、1 相及相变 相是系统中具有完全相同的物理性质和化学组成的均匀部分。相变化过程是 物质从一个相转移到另一相的过程。相平衡状态是它的极限，此时宏观上没有任 何物质在相间传递。在常温常压下，物质有固态、液态和气态三种聚集状态，它们分别成为固体、 液体和气体。独立一种相的系统称为均相系统比如全部是气体，不掺杂固体和液 体，以此类推。液体和气体又合称为流体。固体具有一定的形状,不易变形;流体 则无一定的形状,且易于变形，即具有一定的流动性。流体中气体在受到压力或 温度变化时,体积有较大的改变；液体则存在自由表面。物质三态在一定的条件下会相互转化.当温度改变到一定程度，分子热运动 足以破坏某种特定相互作

14、用形成的秩序时，物质的宏观状态就可能发生突变，形 成另一种聚态，这就是所谓相变。相变中体积会发生变化.相变时会产生潜热， 汽化、溶解、升华时吸热；凝结、凝固、凝华时放热等。物质形成三态是分子间相互作用的有序倾向及分子热运动的无序倾向共同 作用的结果。3.2临界常数对临界常数正确的理解，可以帮助我们对LNG液化过程气相转变为液相过程 有一个清楚的认识,对温度压力变化所产生的对液化过程的影响有一个正确方向 的判断.深冷法液化气体时，液化的温度与压力有关.对每一种气体都有一特定的温 度，高于此温度，不论加多大的压力也不能使气体液化，此温度称为该气体的临 界温度（Tc）甲烷的临界温度是：190。58K

15、.在临界温度下，使气体液化所需的最小 压力，称为临界压力（Pc）甲烷临界压力为4.59 MPa。在临界压力和临界温度 条件下的密度和比容，称为临界密度（P c），和临界比容（Vc）。物系处于临界 状态时，共存的气液两相间的差别都已消失.例如此时蒸汽的比容等于液体的比 容，亦即两者的密度相等,而且气化热和表面张力都等于零。天然气各组分临界温度及压力：组分粥称临界温度r./K临界压力氮28,0131123 253,304甲烷16. 043190.584.600乙烷30. 070305.42484丙烷44. 0973CT.824.246正丁烷艰124425.183.797异丁烷5&r 124408. 143+ 648正戊烷172. 151469.653,369表部分物质的临界温度和临界压力物质名称空气02N2H2ONH3CO2H2临界140.1-1371331-23温度C6518。4046。904.152.40。009